Рис. 1. Пример изделия из графита.
Широкому распространению изделий из графита в современных производствах препятствуют проблемы обработки (рис. 1). Выполнение пазов и отверстий, необходимых для крепления и использования изделий, является сложной технической задачей из-за чрезмерной хрупкости материала.
В настоящее время наибольшее распространение для обработки графита получил способ сверления алмазосодержащим вращающимся инструментом. К сожалению, он позволяет выполнять только круглые сквозные отверстия, характеризуется низкой производительностью и высокой энергоемкостью процесса.
Среди других способов обработки хрупких материалов известна ультразвуковая размерная обработка [1].
Использование ультразвуковых колебаний высокой интенсивности обеспечивает выполнение сквозных и глухих отверстий любой формы, выполнение пазов в таких хрупких материалах, как керамика, стекло, самоцветы, ферриты и т.п. Ультразвуковой способ представляет собой разновидность долбления – хрупкий материал выкалывается из изделия ударами зерен более твердого абразива, которые направляются торцом рабочего инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Его преимущества заключаются в возможности обрабатывать непроводящие и непрозрачные материалы, а также в отсутствии после обработки остаточных напряжений, приводящих к образованию поверхностных трещин.
Проверка функциональных возможностей ультразвуковой обработки графита была осуществлена при помощи ультразвукового аппарата серии «Сапфир», модели СУЗ-0,4/22-О, производства ООО «ЦУТ АлтГТУ» [2], способного выполнять отверстия диаметром от 1,5 до 50 мм со скоростью (по стеклу) до 5 мм/мин.
Рис. 2. Внешний вид ультразвукового аппарата.
С применением указанного оборудования выполнялись сквозные отверстия диаметрами 5, 10 и 12 мм (рис. 2). Паз на торцевой поверхности выполнялся инструментом диаметром 12 мм.
Во всех экспериментах использовалась абразивная суспензия, состоящая из воды и карбида кремния в соотношении 10/1, непрерывно подаваемая в зону сверления кистью.
Рис. 3. Изделие после размерной обработки.
Рис. 4. Отверстия в графитовом образце с небольшими сколами.
Результаты размерной обработки графитового изделия представлены на рис. 3.
При проведении исследований и отработке технологии выполнения отверстий в изделии из графита, максимальная амплитуда колебаний ультразвукового воздействия увеличивалась от 10 до 60 мкм. При этом получились отверстия высокого качества со стороны поверхности сверления. Однако, по мере увеличения амплитуды и скорости сверления на выходе инструмента из материала на графитовом образце образовались небольшие сколы (рис. 4).
Для обеспечения отверстий высокого качества в изделиях из графита экспериментально подобрана амплитуда колебаний рабочего инструмента, которая составила порядка 35 мкм. Образцы, полученные при выполнении отверстий с указанной амплитудой колебаний, показаны на рис. 5.
Рис. 5. Отверстия в графитовом образце высокого качества.
Как следует из фото, отверстия полученные путем ультразвукового сверления, практически не имеют сколов, которые обычно образуются при выходе инструмента при использовании других способов обработки.
В результате сверления отверстий в изделии из графита рабочим инструментом с оптимальной амплитудой колебаний (35 мкм), в зависимости от диаметра рабочего инструмента, средняя скорость образования отверстия составила не менее 1 мм/мин.
Для подтверждения возможностей ультразвукового способа обработки графита проведено выполнение пазов сложной формы.
Рис. 6. Глухое отверстие прямоугольной формы в изделии из графита.
В качестве примера на рис. 6 показан результат выполнения обработки без вращения с получением паза сложной формы.
Таким образом, в результате выполнения работы была показана возможность и эффективность использования ультразвукового способа для обработки изделий из графита, выбрана и отработана технология выполнения глухих и сквозных отверстий различной формы высокого качества с помощью стандартного ультразвукового оборудования, определена оптимальная амплитуда ультразвукового воздействия. Технология и оборудование могут быть рекомендованы для практического промышленного применения.
В.Н. Хмелев, С.В. Левин,
С.С. Хмелев, С.Н. Цыганок
ООО "Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ"
Литература
1. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н. Ультразвуковая размерная обработка материалов: Монография/ Алт. гос. техн. ун-т. им. И.И. Ползунова. – Барнаул: изд. АлтГТУ, 1999. – 120 с.
2. http://u-sonic.ru/devices/sapphire2
<"